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FORMACIÓN DE HEMATITA A PARTIR DE DESECHOS SÓLIDOS PRODUCIDOS EN LA EXTRACCIÓN DE ORO, MEDIANTE TRATAMIENTOS
TÉRMICOS
Formación de Hematita a Partir de Desechos Sólidos Producidos en la
Extracción de Oro, Mediante Tratamientos Térmicos
Aguaiza S.*;Aldás O.*
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*Escuela Politécnica Nacional, Departamento de Física, Quito, Ecuador
e-mail: [email protected]; [email protected]
Resumen:Se detectó la presencia del mineral hematita, luego de tratamientos térmicos en residuos sólidos
producidos en el proceso de extracción de oro, las muestras provienen de la planta SODIREC, ubicada en la zona
de Portovelo. Se tomaron 10 muestras provenientes de piscinas de lixiviación, de relaves finos y gruesos. Se
realizaron calcinaciones de las muestras con temperaturas entre 150 y 1000ºC. Se realizó el estudio cualitativo y
cuantitativo de las muestras calcinadas mediante Difracción de Rayos X utilizando la base de datos PDF-2 y los
métodos de Hanawalt y RIR. Se encontró la presencia de hematita en las muestras calcinadas a temperaturas
mayores a 600ºC, excepto en la muestra de relaves finos.
Palabras clave: Difracción de rayos X, fases cristalinas, tratamientos térmicos, difractogramas, patrón de
difracción, RIR.
Abstract: Hematite was detectedafter heat treatments performed on leaching products that are obtained during
gold extraction process; the samples were obtained from the mining factory SODIREC, which is located in
Portovelo. Ten samples were taken from lixiviation pools, fine and coarse leaching samples. Heat treatments were
performedto the samples with temperatures from 150 to 1000ºC. Qualitative and quantitative analysis were done by
X-ray diffraction;the PDF-2 database,Hanawalt and RIR methods were applied. Hematite was found in the samples
that were heated over 600ºC, but not in fine leaching samples.
Keywords: X-ray diffraction, crystalline phases, heat treatments, diffraction-graphs, diffraction pattern, RIR.
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1. INTRODUCCIÓN
La hematita tiene importantes aplicaciones en el campo
industrial. Este mineral es utilizado como materia prima en
las industrias del acero y del hierro ya que a partir de este
óxido pueden obtenerse hierro puro, acero y diversas
aleaciones [2,11]. El óxido de hierro en forma de polvo muy
fino se conoce en joyería como rouge y se lo utiliza como
elemento abrasivo para el pulido de joyas y lentes [6].La
hematita se aplica también como pigmento y su uso ha sido
inclusive aprobado en la industria de los cosméticos.
Además, se tienen aplicaciones nuevas como nanopartículas
de óxidos metálicos, ya que estos presentan mejores
propiedades eléctricas, ópticas, magnéticas, químicas y
físicas en relación a las de sus homólogas de tamaño
volumétrico.
Entre estas nanopartículas, las de óxido de hierro han
captado especial atención por sus aplicaciones en
biomedicina, nanocatálisis, nano-dieléctricos, biosensores,
cerámicos, pigmentos[3].A manera de ejemplo, materiales
basados en nanopartículas de hematita están siendo
utilizados en estudios para la descomposición del agua
mediante energía solar [15, 18]. También las propiedades
magnéticas de estas nanopartículas están siendo estudiadas a
profundidad, por sus posibilidades de aplicación en la
síntesis de los llamados nuevos materiales [14,16].
En el proceso de extracción de oro y plata en las plantas
localizadas al sur de país, se desechan diariamente
cantidades apreciables de material sólido que contienen
metales importantes y que están convirtiéndose, incluso, en
fuente de contaminación ambiental. Estudios anteriores
reportan la presencia de polisulfuros metálicos en los relaves
de la explotación de minerales al sur del país que contienen
metales de transición muy importantes en la actualidad como
hierro y zinc [8, 9, 17].
Entre las empresas de extracción de oro y plata del Ecuador
está la planta industrial SODIREC. Esta empresa
proporcionó las muestras de los desechos sólidos para ser
estudiadas. Las muestras son de capas superficiales y
profundas de dos piscinas de desechos con 7 y 17 años de
antigüedad y de los relaves frescos obtenidos al finalizar el
proceso de extracción del oro.
2. EQUIPOS Y MÉTODOS
El equipo de difracción de rayos X de cristales en polvo del
Departamento de Física, donado a la Escuela Politécnica
Nacional por la Universidad de Texas en Austin, fue
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montado, puesto en funcionamiento y calibrado en el año
2001.
Mediante la difracción de rayos X se pueden caracterizar las
fases cristalinas presentes en las muestras. A través de la
determinación de la posición e intensidad de los picos de los
difractogramas, y la aplicación de métodos, como el de
Hanawalt y Fink, se pueden realizar estudios
cualitativos[5].El método de Hanawalt compara los tres
primeros picos de mayor intensidad del patrón de difracción,
de la base de datos con el difractograma en estudio.
Adicionalmente, mediante la aplicación de otros métodos,
como el conocido como “Reference Intensity Ratio” (RIR),
se puede realizar el estudio cuantitativo de las
muestras[4].Para utilizar este método se prepara una mezcla
de 50% corindón y50% de la muestra en estudio, luego se
toma un difractograma de esta mezcla y se considera la razón
de intensidades del pico de mayor intensidad de cada
sustancia cristalina, esta se compara con la registrada en la
base de datos, lo que permite determinar la proporción de
cada fase cristalina presente en la muestra en estudio.
2.1Muestras y calcinación
Para determinar si factores como el tiempo, la exposición al
oxígeno del aire y la granulometría (tamaño de grano) de las
arenas afectan a la formación de compuestos, se tomaron
muestras de capas de diferente antigüedad, profundidad y
tipo de relave.
En la planta SODIREC existen 5 piscinas de lixiviación de
desechos sólidos. La piscina número 1 fue clausurada y
recubierta de pasto; la número 2 estuvo abierta desde 1993
hasta 1996; la número 3 estuvo abierta desde 1995 hasta
1996 y fue unida a la número 2; la número 4 estuvo abierta
desde 1996 hasta 2003 y la piscina número 5 se encuentra
abierta desde 2003.
La piscina de mayor antigüedad fue la piscina 2. Se tomaron
2 muestras de la capa superficial que presentaban aspectos
diferentes a simple observación. La piscina número 4 fue la
última en ser clausurada y se tomaron muestras de capas a
diferente profundidad. La piscina 5 está abierta.
Posteriormente, para cada una de las muestras se realizó un
proceso de calcinación. A fin de identificar las temperaturas
a las cuales se produce la formación de fases cristalinas, se
realizó el proceso de calcinación durante 2 horas
temperaturas entre 150 y 1000ºC. El aumento y disminución
de temperatura se realizó a 1ºC/minuto dando el tiempo
necesario para la formación de las fases cristalinas así como
evitar la posible fusión de algún compuesto.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Con el fin de ejemplificar los resultados obtenidos y
entender la influencia del tiempo de exposición al ambiente,
se discutirán los resultados de las muestras de las piscinas 2,
4 y 5, esta última nos permite efectuar el estudio de los
relaves finos y gruesos.
3.1. Piscina 2
Se
detectó
cuarzo(SiO2)y
la
sal
de
hierro
Fe2(SO4)2(OH)5(H2O). Al calcinar la muestra 2 a
temperaturas mayores que 600ºC se formó hematita(Fe2O3).
Estos resultados son similares a los obtenidos de las
muestras 1 y 3 de la capa superficial de la piscina 4, lo que
significa que la diferencia de 3 años de exposición a la
intemperie no influyesignificativamente en la composición
de las muestras.
3.2. Piscina 4
Los relaves de la piscina 4 han sido expuestos al ambiente
desde 1996. Entre los compuestos contenidos en las muestras
1 y 3 de la capa superficial se identificaron cuarzo y sal de
hierro Fe2(SO4)2(OH)5(H2O).
En la bibliografía [1] se ha reportado que, en general, al
calcinar hidróxidos y óxidos de hierro a temperatura mayores
de 600ºC se forma hematita. En todas las muestras de la
piscina 4 calcinadas a temperaturas mayores que 600ºC, se
detectó la presencia de hematita, lo cual se enmarca en el
estudio citado anteriormente. Adicionalmente el análisis
cuantitativo determinó la presencia de 6% de hematita en la
muestra 4 calcinada a 900ºC.
En las muestras 4 y 5, que son del fondo de la piscina, se
detectó 8% de pirita (FeS2), esto podría deberse a que el
oxígeno del aire reacciona débilmente con las capas
profundas de la piscina dejando residuos de FeS2. Al calcinar
las muestras 4 y 5 a temperaturas mayores que 600ºC se
observa la formación de de la fosita (CuFeO2) en un 3%.
3.3. Piscina 5: relaves finos y gruesos
Los relaves de la piscina 5 al momento de la toma de
muestras, no habían sido sometidos al proceso de lixiviación,
el cual consiste en remover las sales alcalinas de los residuos
mediante la adición de agua.
En la muestra de relaves gruesos, al ser calcinada a
temperaturas mayores a 600ºC se observa la formación de
hematita [1], lo cual no se observa en la muestra de relaves
finos al ser calcinada.
En los relaves frescos están presentes sulfuros, ya que
todavía no han sido sometidos al proceso de lixiviación. En
los relaves finos se observa la formación de cubanita
(CuFe2S3) cuyo posible origen sería la calcopirita contenida
en las rocas. En los relaves gruesos existe pirita y wurzita;
que probablemente al ser calcinados dan origen a la
hematita.
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3.4. Formación de hematita
Como se mencionó anteriormente, los tratamientos térmicos
permitieron la formación de hematita a temperaturas
mayores que 600ºC. A manera de ejemplo, en las figuras 1 y
2, se observan los difractogramas de la muestra 1 calcinada a
150º y 900ºC. En estos difractogramas se observa claramente
la formación de los picos correspondientes al patrón de
difracción de la hematita.
Figura. 1 Muestra 1 a T=150ºC
Figura. 2 Muestra 1 a T=900ºC
La hematita presenta propiedades magnéticas; la muestra 4
calcinada a 900º que contiene este compuesto, fue expuesta
a un imán de neodimio que confirmó la presencia de
hematita. Se detecta la presencia de hematita al calcinar las
muestras de la piscina 4 y piscina 2, del relave general y de
los relaves gruesos; estas muestras se las debe calcinar a
temperaturas mayores de 600ºC [1, 10].
Considerando las propiedades magnéticas, la denominada
temperatura de transición de Morin es la temperatura sobre
la cual el material cambia de fase magnética, desde un
estado antiferromagnético a un estado ferromagnético; por
otro lado, la temperatura de Néel consiste en la temperatura
sobre la cual el material pasa desde un estado
ferromagnético a un estado paramagnético [13]. Según la
bibliografía [7] la hematita tiene una temperatura de
transición de Morin de 250 K y una temperatura de Néel de
948 K. Las propiedades magnéticas macroscópicas de la
hematita pueden diferir de sus propiedades microscópicas;
por ejemplo, la temperatura de transición de Morin
disminuye con la reducción del tamaño de partícula, lo cual
se ha verificado en nanopartículas[12].Estas propiedades
magnéticas especiales de la hematita permiten plantear
temas de investigación a futuro relacionadas conla
formación de nanopartículas, las cuales presentan mejores
propiedades eléctricas, ópticas, químicas y físicas en
relación a las de sus homólogas de tamaño volumétrico.
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4. CONCLUSIONES
Se ha realizado el análisis cualitativo y cuantitativo de los
desechos sólidos producidos en la extracción de oro, a través
del método de Hanawalt y el método RIR, utilizando la base
de datos Powder Diffraction File(PDF-2) versión 2009 de la
International Center for Data Diffraction (ICDD).
Se registró la presencia de hematita en casi todas las
muestras calcinadas a 600ºC, excepto en la muestra 6 de la
piscina 2 de 17 años de antigüedad y en la muestra 9 de
relaves finos recién desechados. Al realizar el análisis
cuantitativo en la muestra 4 calcinada a 900ºC se determinó
la presencia de un 6% de hematita; en las demás muestras se
estima un porcentaje similar ya que la razón de las alturas de
los picos más intensos del cuarzo y la hematita no varían.
Se deberían realizar estudios más detallados sobre sobre la
extracción y purificación de la hematita. Esto permitiría dar
mayor utilidad a los residuos sólidos y reducir la
contaminación del medio ambiente. Adicionalmente, se
aprovecharía la recuperación de minerales muy importantes
en la actualidad y que están siendo desperdiciados en el
proceso.
[16] A. Teja y P. Koh, “Synthesis, Properties, and Applications of Magnetic
Iron Oxide Nanoparticles”, Progress in Crystal Growth andCharacterization
of Materials, Vol. 55, 2009, pp 22-45.
[17] I. Vikentyev, “Mineralogy and Formation Conditions of PortoveloZaruma Gold-sulphide Vein Deposit”, Geochemistry, Mineralogy and
Petrology Magazine, Vol. 43, 2005, pp 148-154.
[18] L. Yongjing, Y. Guangbi, S. Stafford, Z. Sa y W. Dunwei, "Hematitebased Solar Water Splitting: Challenges and Opportunities", Energy &
Environmental Science, Vol. 4, 2011, pp 4862-4869.
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1992.
[3] P. Calvopiña, C. Valdivieso y V. Guerrero, “Síntesis Catalítica de
Nanopartículas de Hematita y su Aplicación en la Remoción de Cromo
(VI)”, Revista Politécnica, Vol. 32, No.1, 2013, pp 65-69.
[4] F. Chung, “Quantitative Interpretation of X-ray Diffraction Patterns”,
Journal Applied Crystallography, Vol. 7, 1974, pp 519-525.
[5] A. Clearfield, “Principles and Applications of Powder Diffraction”,
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[6] M. Cornell, “The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions,
Occurrences and Uses”, 2º edición, Wiley & Sons, Munich, 2003, pp 29521.
[7] M. Dang, “Interplay of Surface Conditions, Particle Size, Stoichiometry,
Cell Parameters and Magnetism in Synthetic Hematite-like Materials”,
Hyperfine Interactions Magazine, Vol. 117, # 1-4, 1998, pp 271-319.
[8] E. De la Torre, E., “Monografía del Área Mineralurgia y Metalurgia
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1995, pp 5-13.
[9] X. Díaz, E. De la Torrey L. Castro, “El Procesamiento de Minerales en
el Ecuador: Visión de un Metalurgista, Seminario La metalurgia del oro en
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[10] A. Ghosh, “Textbook of Materials and Metallurgical
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[11] M. Groover, “Fundamentos de Manufactura Moderna”, Prentice Hall,
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[12] W. Kingery, “Introduction to Ceramics”, John Wiley & Sons, New
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[13] C. Kittel, “Introduction to Solid State Physics”, John Wiley & Sons,
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[14] J.M. Pastor, J.I. Pérez-Landazábal, C. Gómez-Polo, V. Recarte, S.
Larumbe, “Entropy Change Linked to the Magnetic Field Induced
MorinTransition in Hematite Nanoparticles”, AppliedPhysics Letters, Vol.
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[15] K. Sivula, F. Le Formal, M. Gratzel, "Solar Water Splitting: Progress
Using Hematite Photoelectrodes", ChemSusChem, Vol. 4, 2011, pp 432449.
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